1.8 Скважинные автономные информационно-измерительные системы контроля геофизических и технологических параметров при бурении скважин.

Важными задачами повышения эффективности буровых работ являют­ся исследование и оптимизация технологического процесса бурения при на­личии достоверной забойной информации о физико-механических свойствах проходимых горных пород и режимных параметрах. Анализ зарубежного и отечественного опыта бурения показывает, что за счет качественного контро­ля и управления режимом проводки скважин при оптимальном сочетании технологических параметров можно повысить показатели бурения в среднем на 25-30 %. При этом очевидно, что на показатели бурения, в частности меха­ническую скорость, оказывает влияние не только определенное сочетание ре­жимных параметров, но и физико-механические свойства горных пород.

Так, наличие достоверной информации о физико-механических свойствах горных пород предопределяет выбор долота того или иного ти­па, двигателей для его привода, параметров режима бурения.

Таким образом, как для исследования, так и для оптимизации буре­ния необходимо в процессе проводки ствола скважины получать инфор­мацию технологического и геофизического характера.

Решение перечисленных задач посредством приборов, контроли­рующих только наземные параметры бурового процесса, в ряде случаев затруднительно, в частности при бурении наклонно направленных, сверх­глубоких и горизонтальных скважин.

Исследования показывают, что технологические параметры, измеренные наземными приборами, отличаются от действительных забойных значений соответствующих параметров на 40 ÷ 70 % , в частности при бурении глубоких и наклонно направленных скважин[19].

В связи с этим в настоящее время повсеместно интенсифицирована разработка технических средств для автоматического контроля забойных технологических и геофизических параметров в процессе бурения сква­жин. Одним из путей решения этой проблемы является создание автономных информационно-измерительных систем с регистрацией измеряемых данных в скважинном приборе. Целесообразность их разработки бесспорна, т. к. на­званные АИИС способны обеспечить следующие возможности:

• одновременного измерения и регистрации не менее 8-10 забойных параметров;

• проведения геофизических исследований в осложненных и на­клонно направленных скважинах без дополнительных затрат времени на спуско-подъемные операции бурильного инструмента;

• определения истинного удельного сопротивления проходимых гор­ных пород, не искаженных проникновением фильтрата бурового раствора;

• исследования динамики бурового процесса с целью получения ис­ходных данных, необходимых для разработки телеметрических систем.

Впервые в нашей стране работы по созданию АИИС для измерения и регистрации забойных параметров в процессе бурения скважины были начаты в Азербайджанском филиале ВНИИгеофизики под руководством И.К. Саркисова и в Волго-Уральском филиале - под руководством А. А. Молчанова.

На основании результатов проведенных испытаний были разработа­ны и введены в промышленное использование АИИС для геофизических исследований бурящихся скважин, гидродинамических исследований скважин в процессе опробования и испытания, а также автономные при боры для проведения исследований в эксплуатационных нефтяных, газовых и нагнетательных скважинах.

АИИС состоят из автономного прибора встраиваемого в бурильную колонну непосредственно над турбобуром, и наземного комплекса приборов, размещаемого на буровой и включающего глубиномер и преобразователь для перезаписи зарегистрированных данных.

В процессе бурения в автономном приборе регистрируется измеряе­мая забойная информация в функции реального времени, а в наземном комплексе приборов - углубление бурильного инструмента в функции то­го же времени. После окончания рейса долота и извлечения автономного прибора на поверхность с помощью преобразователя наземного комплекса осуществляется обработка данных автономного прибора и глубиномера с целью получения диаграммы параметра в функции глубины скважины.

Методика исследования скважин с использованием АИИС включает следующие операции:

• подготовку АИИС к работе (установку шагов квантования по вре­мени и глубине, заправку носителей записи и источника питания автоном­ного прибора);

• компоновку автономного прибора с колонной бурильных труб;

• размещение наземного комплекса приборов на буровой;

• спуск автономного прибора в компоновке с бурильным инструмен­том на забой скважины;

• включение автономного прибора и наземного комплекса приборов при циркуляции бурового раствора;

• измерение и регистрацию забойных параметров и глубины скважины;

• выключение аппаратуры автономного прибора и формирование меток глубины при отключении буровых насосов (наращивание бурильно­го инструмента, остановка бурения для проведения ремонтных работ или при окончании рейса долота);

• подъем и подготовку автономного прибора к следующему рейсу долота, извлечение носителей записи.

Следующим техническим процессом является совместная обработка двух носителей записи (параметра и глубины) с целью построения диа­граммы параметра в функции глубины скважины.

Этот процесс состоит из следующих операций:

• заправки носителей записи (параметра и глубины) в лентопротяж­ные механизмы преобразователя;

• согласования носителей по реперным меткам начала регистрации;

• собственно процесса обработки и перезаписи.

Совместная обработка носителей записи производится во время под­готовки АИИС к очередному рейсу долота или в процессе спуска буриль­ного инструмента.

По причине тяжелых условий работы забойной части АИИС (высоких давлений, вибрационных нагрузок и температуры) при разработке основное внимание уделено повышению ее вибротермобаростойкости.

В нашей стране разработана, изготовлена и передана для опытной эксплуатации АИИС для геофизических исследований скважин в процессе бурения. Эта система состоит из скважинного автономного прибора каротажного АПК-1 с механическим регистратором, двумя зондами (зонды АО = 0,5 м и 1 м) и наземного комплекса приборов, включающего пре­образователь ФОО8, датчики глубины, веса и циркуляции бурового раство­ра. Автономная система обеспечивает измерение и запись в функции глуби­ны скважины двух кривых кажущегося удельного сопротивления и диа­граммы механического каротажа (во время бурения единичного интервала).

Конструктивно автономный прибор АПК-1 состоит из следующих узлов:

• трубы-зонда;

• собственно скважинного прибора, содержащего герметичный кон­тейнер, датчик включения, аппаратурное шасси с электронной схемой, ре­гистратором и блоком питания;

• электроввода для электрического соединения зондов с электрон­ной схемой скважинного прибора.

Труба-зонд длиной 3 800 мм выполнена из стандартной утяжеленной бурильной трубы с наружным диаметром 203 мм при диаметре проходно­го сечения 100 мм. На наружной поверхности трубы с помощью стекло­пластикового изоляционного покрытия установлены четыре кольцевых электрода, которые образуют два зонда электрического каротажа.

В электронной схеме скважинного прибора применен компенсаци­онный принцип измерения по переменному току. Пределы измерения ка­жущегося удельного сопротивления (КС) 0,5 ÷ 40 Ом и 1 ÷ 200 Ом. Регист­рация параметров производится последовательно в широтно-импульсной форме методом перфорации информационных отверстий на перфоленте из термостойких пленок.

На перфоленте шириной 17,5 мм выделены пять дорожек, каждая из которых имеет свое функциональное назначение.

Первая дорожка перфоленты предназначена для регистрации начала циркуляции бурового раствора или момента выключения буровых насосов что необходимо для последующей синхронизации диаграмм автономного прибора АПК-1 с диаграммой углубления, бурильного инструмента, на которой также регистрируется начало или остановка циркуляции буровою раствора.

На второй дорожке регистрируется признак цикла, который характе­ризуется меткой, перфорируемой против начала условно первого зонда. На третьей дорожке регистрируется метка масштаба записи, который выбирается из двух пределов измерения (0,5 ÷ 40 Ом или 1 ÷ 200 Ом). Синхроотверстия четвертой дорожки предназначены для осуществления линейной зависимости между скоростью перемещения носителя записи и набором компенсирующего напряжения.

На пятой дорожке осуществляется последовательная регистрация измеряемых параметров, величина которых определяется по расстоянию между соседними метками.

Преобразователь каротажных данных ФОО8 предназначен для рабо­ты в трех режимах:

• записи диаграммы углубления бурильного инструмента на стан­дартной перфоленте при работе наземного комплекса в качестве регистра­тора глубин;

• перезаписи диаграммы автономного прибора и диаграммы регист­ратора глубин в диаграмму параметров в функции глубины скважины, за­писываемую в аналоговой и цифровой форме;

• перезаписи диаграммы углубления бурильного инструмента в диа­грамму механического каротажа.

Опытно-промышленная эксплуатация двухканальной АИИС прово­дилась на месторождениях Азербайджана и Казахстана (ПО «Мангышлак- нефть»).

Результаты промышленной эксплуатации подтвердили эффектив­ность каротажа скважин в процессе бурения автономными системами и выполнения работ в осложненных и наклонно направленных скважинах с целью сокращения времени проведения геофизических работ.

Большое значение имеет использование автономных систем для ре­гистрации забойных технологических параметров бурения, в частности осевой нагрузки и частоты вращения долота. Очевидно, наличие достаточ­но объективной информации о величине этих параметров в совокупности с данными геофизических исследований позволило бы определить их опти­мальное сочетание и использовать при составлении программы бурения сле­дующих интервалов или других скважин данного месторождения.

Результаты промышленной эксплуатации двухканальной АИИС и обработка полученных при этом данных показали необходимость расширения комплекса измеряемых геофизических параметров, а также дополнения его информацией технологического характера.

На основании теоретических расчетов, проведенных во ВНИИгеофизики, и рекомендаций специалистов-технологов ВНИИБТ указанными организациями совместно с Гомельским политехническим институтом была разработана многоканальная автономная информационно-измерительная система АИИС-1М, предназначенная для измерения и регистрации в процессе бурения скважин следующих забойных параметров:

• кажущегося удельного сопротивления (КС) горных пород зондами АО, 2МО, 2; АО, 5МО, 2; АО, 9МО, 2; Al, 9МО, 2;

• самопроизвольной поляризации (ПС);

• зенитного угла;

• частоты вращения вала турбобура;

• крутящего момента на валу турбобура;

• осевой нагрузки на долото.

В связи с увеличением числа регистрируемых параметров, а также целесообразностью их одновременной (параллельной) регистрации в ав­тономном приборе АПКМ-1 применен магнитный способ записи измеряе­мых данных.

В приборе АПКМ применена хорошо зарекомендовавшая себя схе­ма, основанная на компенсационном принципе измерения.

Аппаратура АПКМ-1 рассчитана на параллельную работу всех изме­рительных каналов и одновременную запись информации. Запись инфор­мации производится на магнитную ленту шириной 12,7 мм двенадцатика­нальной магнитной головкой. АПКМ-1 регистрируются следующие параметры бурения:

• осевая нагрузка,

• крутящий момент,

• частота вращения,

• кажущееся электрическое сопротивление,

• самопроизвольная поляризация,

• зенитный угол,

Для исследования технологического процесса бурения, режимов ра­боты забойных двигателей и породоразрушающего инструмента Гомель­ским политехническим институтом совместно с ВНИИБТ был разработан автономный прибор АЗГПС-1.

По своему конструктивному составу АЗПК-1 аналогичен автоном­ному прибору АПКМ-1, однако в некоторых узлах используется ряд новых технических решений, разработанных на основе анализа результатов ис­пытаний предыдущей системы.

• Автономный прибор АЗПК-1, встраиваемый в бурильную колонну непосредственно над забойным двигателем, предназначен для одновре­менного измерения и регистрации на магнитном носителе частоты враще­ния вала турбобура и крутящего момента на нем (реактивного), а также осевой нагрузки на долото рисунок 10.

Рисунок 10 - Фрагмент диаграммы с записью частоты вращения вала турбобура

Прибор АЗПК-1 состоит из корпуса, герметичного контейнера и ап­паратурного блока, расположенного в тонкостенном шасси. Корпус вы­полнен на основе стандартной утяжеленной бурильной трубы с наружным диаметром 195 мм.

Автономный прибор АЗПК-1 был опробован на стендовой буровой совместно с турбобуром 1А7Ш. На основании данных, зарегистрирован­ных автономным прибором АЗПК-1 (рис. 2), построена характеристика турбобура 1А7Ш при расходе бурового раствора 0,021 и 0,032 м/с (рисунок 11)

Рисунок 11. Характеристика турбобура 1А7Ш, полученная на основании данных, зарегистрированных автономным прибором АЗПК-1

Техническая характеристика автономного прибора АЗПК-1

Число регистрируемых параметров - 3

Условия эксплуатации:

давление, мПа........................................................................... до 80;

температура, ˚С......................................................................... до +100.

Габаритные размеры:

длинна, мм..................................................................... 3 300;

диаметр, мм.................................................................... 195;

масса, кг......................................................................... 500;

Диапазон измерения............................................... 1;

Частота вращения................................................... 1÷20;

Осевая нагрузка, кН................................................ 5÷500;

Крутящий момент, кН............................................. 0,25÷5;

Основная приведенная погрешность измерения и регистрации ∓5%.

Опыт разработки систем контроля геолого-геофизических и технологических параметров бурения показывает, что наибольшие трудности как функционального, технологического, так и конструкторского плана возникают при построении скважинной части разрабатываемой системы.

Наземная же часть ее функционального построения определяется прежде всего функциональными возможностями глубинного комплекта и метода­ми передачи сигнала с забоя на устье скважины.

1.9 Наземные автоматизированные системы контроля геолого­геофизических и технологических параметров бурения

Функциональную схему наземных систем контроля процесса буре­ния и решаемые ею задачи рассмотрим на примере информационно­-измерительного комплекса типа «Прогноз» [68].

Основные задачи комплекса:

1) изучение геологического разреза скважин при одновременном со­кращении объема бурения с отбором керна, в том числе надежное литологи­ческое расчленение разреза скважины с выделением коллекторов и оценкой характера их насыщения;

2) прогнозирование нефтегазосодержащих пластов до их вскрытия скважиной; выделение перспективных интервалов для детальных геофизиче­ских исследований и опробования;

3)контроль технического состояния и процесса бурения скважины; выделение интервалов поглощения и притока в скважине;

4) прогнозирование зон аномально высоких пластовых давлений;

5) получение и обработка информации, необходимой для решения оперативных задач, связанных с оптимизацией процесса бурения скважи­ны

6) регистрация информации, необходимой для решения ряда страти­графических задач (построение усредненного литолого-стратиграфического разреза скважины, расчет технико-экономических показателей бурения, со­ставление геолого-технологических нарядов для бурения следующих сква­жин на разведываемой площади, сводная интерпретация промыслово­-геофизической информации, подсчет запасов нефти и газа).

Блок-схема информационно-измерительного комплекса «Прогноз» приведена на рисунок 12.

Рисунок 12. Блок-схема автоматизированной системы наземного контроля геолого-геофизических и технологических параметров бурения скважины.

Датчики, размещенные на устье скважины, выдают информацию о ее углублении, частоте вращения и крутящем моменте на роторе, весе на крюке, плотности, температуре и расходе бурового раствора на входе и выходе скважины.

Одновременно из бурового раствора отбираются газовая смесь, ко­торая поступает на газовый анализ, и шлам, поступающий для исследова­ния на нефтегазонасыщенность, пористость и др.

С помощью глубинных датчиков по беспроводному каналу связи или при использовании автономных систем регистрируются технологиче­ские (частота вращения вала турбобура, осевая нагрузка на долото, зенит­ный и азимутальный углы, положение отклонителя) и геофизические (удельное сопротивление горных пород, их естественная радиоактивность, амплитуда и частота вибраций бурильного инструмента) параметры.

В наземной аппаратуре информационно-измерительного комплекса «Прогноз» данные наземных и скважинных измерений в процессе бурения через блок согласования и предварительной обработки путем преобразо­вания в цифровую форму вводятся в специализированное вычислительное устройство (СВУ), где по заданным алгоритмам производится их обработ­ка с целью использования для решения перечисленных выше задач.

Для достижения необходимой полноты информации в СВУ вводятся также геологические, геофизические, технологические и другие данные, полученные различными путями и методами.

Результаты обработки поступают в цифровом виде на магнитный ре­гистратор ЦР и в аналоговом виде записываются регистраторами АР в масштабе реального времени и глубины. Одновременно технологические параметры фиксируются на индикаторном табло пульта бурильщика. Та­ким образом, подобные системы обеспечивают контроль геолого­геофизических и технологических параметров бурения по наземным ис­точникам информации, что позволяет эффективно вести процесс бурения и повысить его технико-экономические показатели.